在材料科學領域，一項重大突破正在改寫科學認知。科學家們成功將一種只存在于理論中的神奇材料 —— 交替磁體，變成了現實！

近年來，交替磁體受到全球科研人員的密切關注。它是一類新型材料，能在不依賴傳統自旋 - 軌道耦合（SOC）機制和凈磁化的情況下，展現出與動量相關的自旋分裂現象。簡單來說，就是它能以一種獨特的方式操控電子自旋，這在電子信息處理等領域具有巨大潛力。

此次突破性研究由香港科技大學物理系劉俊偉教授帶領團隊完成，相關成果發表在《自然?物理學》雜志上。他們首次通過實驗，觀測到了一種在室溫下能穩定存在的二維層狀交替磁體，證實了劉俊偉教授在 2021 年《自然?通訊》上發表的理論預測。

在電子技術中，產生和控制自旋極化電子態對于推動自旋電子學發展至關重要。自旋電子學是利用電子自旋來編碼和處理信息的前沿領域。以往，實現自旋極化通常依賴電子自旋與軌道運動或磁場等其他性質的耦合，比如通過自旋 - 軌道耦合（在缺乏反演對稱性的晶體中產生拉什巴 - 德雷塞爾豪斯效應），或者在鐵磁體中打破時間反演對稱性來實現。但這些方法存在一定局限性。

劉俊偉教授和團隊提出了一種在反鐵磁體中的全新機制。在特定的晶體對稱性條件下，亞晶格之間通過交換耦合相互作用，能產生顯著的自旋分裂，進而出現一種名為 C 配對自旋谷鎖定的獨特現象。關鍵是，這種機制不依賴自旋 - 軌道耦合和磁化，既具備反鐵磁系統的穩定性，又能延長自旋壽命。基于此機制的材料被命名為 “交替磁體”，其發現還入選了《科學》雜志 2024 年十大突破。

此前，科學家們嘗試探索基于多種新興材料（如 α - MnTe、CrSb、MnTe?和 RuO? ）的非常規反鐵磁體，但都不太理想。像 α - MnTe 和 CrSb 的磁亞晶格具有 C?對稱性，導致各向同性電導和非極化電流；MnTe?由于非共面磁結構，自旋不守恒，而且其臨界溫度低（只有 87K），實際應用受限；RuO?的基態究竟是反鐵磁還是非磁性還存在爭議，盡管它有一些特殊效應。此外，這些材料都不是層狀的，很難與其他材料剝離和集成，無法在微觀層面調控材料性能，限制了二維材料在拓撲超導、電學性能調控等方面的研究。

因此，探索層狀交替磁體材料對開發高密度、高速、低能耗的自旋電子器件意義重大。此次研究基于劉俊偉教授團隊 2021 年對 V?Te?O 和 V?Se?O 的理論預測，利用自旋和角分辨光電子能譜（Spin - ARPES）、掃描隧道顯微鏡 / 光譜（STM/STS）以及第一性原理計算，在層狀室溫反鐵磁化合物 Rb??δV?Te?O 中實現了 C 配對自旋谷鎖定。研究發現，通過 Spin - ARPES 測量能直接觀測到 C 配對自旋谷鎖定，相鄰由晶體對稱性 C 連接的 X 和 Y 谷之間自旋極化方向相反；溫度相關的 ARPES 測量表明，自旋谷鎖定在室溫下依然穩定，與反鐵磁相轉變溫度一致；ARPES 測量還證實了該材料具有很強的二維特性，kz 方向色散可忽略不計；STM 測量的準粒子干涉圖案顯示，由于自旋選擇規則，谷間散射受到抑制。

劉俊偉教授的這項研究成果意義非凡，它首次展示了具有交替磁亞晶格的層狀室溫反鐵磁金屬，以及一種新型自旋分裂效應，為自旋電子學和谷電子學的進一步研究和應用提供了理想平臺。所有實驗結果與第一性原理計算高度吻合，不僅增強了人們對理論研究的信心，還暗示了這種材料在自旋守恒電流和非常規壓磁方面的潛在應用。在 K 插入的 V?Se?O 中也觀察到了類似的自旋谷鎖定現象，進一步驗證了 2021 年的理論預測。

這次發現為材料科學和電子技術發展開辟了新道路。大家覺得這種室溫二維交替磁體在未來還能應用在哪些意想不到的領域呢？快來一起討論吧！

參考資料：DOI:10.1038/s41567-025-02864-2